GIS在电网规划中的应用研究综述

（上海电力大学 电子与信息工程学院，上海 200120）

0 引 言

电力行业与国民经济建设和人民生活密切相关，合理的电网规划设计是电网稳定运行的重要保证。随着智能电网和城市建设步伐的推进，我国电网规划过程开始引进地理信息系统（Geographic Information System, GIS）[1]。

GIS技术与电网规划工作有机结合可以有效提高原始数据的准确性、规划过程的高效性和结果显示的实用性。目前GIS在电网规划中的应用主要集中在空间负荷预测、变电站的选址定容和输电线路的路径优化与选择等方面；负荷预测是电网规划工作的基础，由于大量移动充电的电动汽车和分布式电源的接入，使得电网负荷变化的随机性越来越大，依托GIS中的电网信息和地理空间属性信息进行空间负荷预，是提高空间负荷预测准确性的有力手段[2]。在空间负荷预测结果的基础上，根据各区域的负荷信息及空间地理信息，GIS系统可以对变电站的位置进行优化；同时依托GIS平台结合各类优化算法为电网架构设计和输电线路的路径优化选择提供了可视化表达平台。

本文针对GIS技术在电网规划中的应用进行研究，从GIS在电网空间负荷预测、变电站定容选址和输电线路的路径选择与优化三个方面进行梳理归纳，并在文末提出未来研究方向的展望。

1 GIS技术在电网规划中的优势

GIS技术以地理空间数据库为基础，以具备地理属性的空间数据为研究核心，将对象的属性与空间位置相结合，为空间决策提供支持。GIS拥有强大的空间数据管理查询与空间分析功能，可以有机结合多个学科，是一个网络化、标准化、空间化的平台[3]。

地理信息系统与电网规划的有机结合，为电网规划的空间决策提供技术支持和可视化表达。GIS技术作为近年来迅速发展的一门新型信息技术，在电网规划中具有以下特点：

（1）GIS技术具有数据采集管理与存储功能，可结合地理、电力、计算机等领域为电网规划提供数据支持。同时GIS数据库可以实现实时更新，实现电网规划与城市规划及地理环境变化协调一致，特别是面对复杂的气象灾害时，可以实时掌握气象与电网运行数据，有助于管理人员实时掌握电网运行情况，做出判断。

（2）GIS技术拥有强大的空间数据查询与空间分析能力，面对复杂的电网架构，可完成电网的空间定位及动态分析，为前期电网规划提供决策支持，有利于科学管理空间能量分布，提高规划效率。

（3）GIS技术可以为电网规划工作提供友好的可视化界面并提供各种应用，协助人工进行电网规划工作，对具有空间属性的电力设备空间分布图进行绘制，协助维修人员进行维护与保养，提供工作效率和质量。

2 GIS技术在电网规划中的应用

2.1 空间负荷预测

空间负荷预测是指对供电区域内负荷大小及其位置分布的预测。空间负荷预测不仅可以预测负荷大小，还可以较为精准地预测负荷空间位置。因此空间负荷预测需要大量的空间数据，精准的空间负荷预测离不开GIS技术的支持[4]。

GIS系统不仅可以为空间负荷预测提供数据和平台支持，其自身具备的强大运算和可视化图文对照功能，可以有效提高工作效率减轻工作量。基于GIS的空间负荷预测的基本原理如图1所示。

图1 基于GIS的空间负荷预测示意图

数据的整合主要涉及相关空间信息的收集整合，涉及到区域内的地理空间信息和电网信息，其具体结构如图2所示。不同的待预测区对空间负荷预测的相关信息收集有所不同。如待预测区域为无历史负荷数据的新建小区或历史区域严重匮乏区域时，考虑计及城市发展程度，整合待预测区域的市政规划方案、业扩报装计划及同类型负荷历史数据进行预测[5]；对于有大量移动充电的电动汽车的接入的区域，可以通过收集电动汽车的时空分布信息评估移动充电设施对空间负荷可能造成的强烈空间变化影响[6]。

图2 基于GIS的电力数据信息划分

现有的空间负荷预测方法按照预测原理来分类，大致可分为多变量法、用地仿真法、趋势外推法和负荷密度法[7]。多变量法对数据质量要求高、空间分辨率低，对于发展程度低、无法获得原始数据的区域，很难使用此方法进行预测，因此国内外学者对其研究较少。用地仿真法通过分析土地利用的空间信息及发展规律，对用地类型的发展程度进行预测，此方法适用于用地规划尚未确定的地区，对于城市规划成熟，用地性质成熟的区域并不适用[8]。趋势外推法是一系列基于负荷历史数据外推负荷发展趋势的方法的总称。趋势外推法因受负荷转移、非平稳增长等不利情况的影响，在实际情况中应用较少。负荷密度法通过将对待测区域元胞的负荷进行分类，通过预测分类负荷密度及用地信息进行空间负荷预测，因我国政府用地使用性质明确，用地决策不再是突出问题，分类负荷密度受到广泛关注，因此近年来基于负荷密度法的空间负荷预测相关研究得到广泛应用。肖白提出了一种基于秩次集对分析理论的空间负荷预测方法[9]，通过秩次原理预测Ⅰ类元胞负荷预测值及分类负荷密度，并结合用地信息进行Ⅱ类元胞负荷预测，进而得到空间负荷预测结果。上述文献采用秩次集对原理避免了主观分类带来的不利影响。文献[5]提出了一种基于城市发展程度和分类负荷密度饱和值的多阶段空间负荷预测方法，根据分类负荷密度饱和值、近期空间负荷预测结果及城市建设信息进行中长期负荷预测，此方法对于发展程度低及新开发区域提供了新的解决方案。

基于GIS系统的空间负荷预测可以协助空间负荷预测收集整理各类资料、数据和信息，有效减少数据收集及分析处理任务量，且利用GIS功能可以将待预测区域按照功能划分小区，有利于进行分区分区负荷预测，提高空间负荷预测的工作质量和效率。

2.2 选址定容

根据空间负荷预测结果，在各区域负荷合理分配的基础上，GIS系统可以对变电站的地理位置和电容量进行优化[10]。变电站作为电力输送的中心环节，其选址选择效果将在很大程度上决定输电过程中的电能损耗及最终变电站投资运营的实际经济效益。变电站选址涉及电力负荷、电网现状、城市规划、地形地质条件等一系列影响因素。文献[11]三维地理信息技术应用于变电站选址工作中，通过构建复杂真实的三维现场环境，使得复杂的变电站选址过程实现可视化，从而提高数据和资源的利用效率。文献[12]提出了以GIS为可视化分析平台，引入BP神经网络算法，建立变电站选址评估指标模型，通过BP神经网络模型的训练得到合理的变电站地址。已有的关于变电站定容选址文献鲜少考虑计及城市未来发展程度饱和度，城市未来发展程度饱和度对未来区域内的电力负荷与潮流分布有显著影响，进而影响变电站电能损耗与经济效益，未来学者可以考虑将城市未来发展程度饱和度作为变电站选址的影响因素，特别是对于发展程度较低的区域。

在污染严重、能源紧缺的大背景下，风力发电迅速发展。它们的接入将改变配电系统的电能质量、潮流和网损，因此确定合理的准入容量和位置显得尤为重要。近年来国内外学者将GIS技术应用于风电场宏观选址、风能资源评估、及海上风电选址[13]等风电行业的各个领域。随着三维GIS的不断发展，三维GIS被越来越多的应用于风电场景可视化，文献[14]将三维GIS与模糊层次分析法结合，作者根据基础数据构建虚拟风电场场景，充分利用三维GIS的数据管理和空间分析能力并加入模糊层次分析模型对各站址进行综合评价，实现风电三维可视化选址。文献[15-16]利用GIS空间分析方法，考虑生态人文气象等多种限制因素利用层次分析法评估地区的风能资源潜力。上述文献关于GIS技术与升压站选址结合的研究主要集中在宏观选址，缺乏针对升压站内部结构与设施对微观选址的研究，GIS技术关于升压站宏观与微观选址相结合的研究将是未来GIS在升压站选址中的主要研究方向。

2.3 输电线路路径选择与优化

输电线路的路径规划是一个涉及经济、环境、工程等诸多因素的多目标决策问题[17]。面对电网庞大冗杂的网络结构系统，GIS技术凭借其突出的数据管理和空间分析能力在路径优化问题中应用成果显著。基于GIS的输电线路路径优化流程如图3所示。

图3 基于GIS平台的输电线路路径选择示意图

早期关于GIS技术在输电线路的路径规划工作，主要集中在利用GIS的数据管理和可视化功能辅助人工设计，或优化已有备选路径[18]；近年来越来越多学者利用GIS与优化算法结合实现基于GIS的自动选线模型，实现输电线路路径的自动选线与优化。输电线路穿越的地理环境复杂多样，涉及优化的影响因素众多。文献[19-20]结合GIS技术采集各类地理影响因素，并采用层次分析法对各因素进行定量分析，但层次分析法在量化各因素权值时需要专家评级具有一定主观性。苏海锋等学者将人工智能算法与GIS结合，并不断改进算法搜索模型，实现输电线路路径的避障和跨越式搜索功能，但自动选线模型均未实现数据处理功能，需要量化各地理影响因素[21-23]。文献[24]在地理环境因素基础上，提出规划双层优化模型，考虑线路最优潮流计算，配合输电网络规划设计，以直观的表现形式提高规划工作的准确率和效率。上述文献在输电线路路径规划方面的研究均未考虑加入杆塔位置的选择，而杆塔位置将直接影响后续输电线路占地协调及安全距离，以及输电线路拐角和耐张力水平[25]。因此在输电线路路径优化过程中，可以考虑结合杆塔位置选择，为输电线路规划提供更好的借鉴作用。

3 展 望

GIS技术强大的数据管理查询及空间分析功能，为电网规划海量的数据管理和空间分析决策问题提供了科学依据与数据支持。本文就现有GIS技术的发展，提出以下几点GIS技术在电网规划中的发展趋势。

3.1 4D-GIS

不仅具有数据管理和空间分析功能，还可以显示空间对象随时间变化的信息，反应对象随时间演变的过程。将4D-GIS应用于电网规划工作中，可以存储电网规划设计工程的全生命周期信息，模拟空间负荷的时空动态变化过程，有助于电网规划工作的协同设计。

3.2 互联网+WebGIS

将动态、交互式的WebGIS与“互联网+”相结合，应用于电网规划设计工作中，实现数据的广泛访问性和打造全自动化网络协同工作平台[26]，以达到数据共享服务的目的，真正实现集数据收集处理、空间分析到服务的电网规划一体化网络平台。

3.3 BIM+GIS

BIM在建筑和土木工程等专业已得到广泛的应用，其主要通过数字信息仿真技术来模拟建筑物的真实信息[27]。将GIS与BIM相结合应用于电网规划工作，可以实现全方位立体化的电网规划设计，提高工作效率和精度，推动电网规划工作现代信息化的实现。

4 结 语

电网规划工作与GIS技术的结合，是实现电网规划工作高效性、科学性和实用性的重要手段，并且可以在电网规划阶段充分考虑不同的气象灾害的时空分布，从而提升电网针对气象灾害的远期防御水平。

本文针对GIS在电网规划中的应用，从空间负荷预测、变电站选址定容、线路路径的选择与优化三个方面进行梳理，并对未来GIS技术在电网规划工作中的应用进行了展望，以期对今后关于GIS电网规划工作给予一定参考。